¿Se puede agregar una vela solar a un motor de iones y que funcione mejor?

Introducción

Esta es una pregunta difícil, principalmente porque las velas solares se benefician de una nave espacial de baja masa y con la adición de un sistema de propulsión eléctrica, está aumentando la masa disminuyendo la efectividad de la aceleración y las capacidades delta V total.

Arquitectura del sistema y sistemas de soporte

Velas solares: las velas solares requieren fotones para ganar aceleración y, a medida que una nave espacial propulsada por una vela solar se aleja del sol, la eficacia de las velas para impulsar la nave espacial hacia adelante se dimensiona en gran medida. Los sistemas de apoyo necesarios para desplegar una vela son de masa relativamente ligera en comparación con los sistemas de propulsión química o eléctrica. Para el sistema de propulsión de la vela solar, tiene la masa de los brazos desplegables, la vela Mylar, el mecanismo de despliegue y el sistema de control de la vela.

Métrica de ISP de Solar Sail:

Donde:

• a0 = Aceleración característica de la vela
• T = Duración de la misión (normalmente, duración de la aceleración de la misión)
• R = Fracción de masa de carga útil ($mass_1/mass_2$), donde$mass_1$es la masa de la vela y$mass_2$es la masa de la carga útil o nave espacial.
• G = Gravedad (-9.80665$m/s^2$)

Esto muestra rápidamente que a medida que aumenta la masa de la nave espacial (combinando una vela solar + un sistema de propulsión eléctrica juntos) disminuye la métrica general del ISP del sistema.

Sistema de propulsión eléctrica : estos son sistemas extremadamente complejos y elaborados, ya que su rendimiento depende de varias variables, incluida la potencia, la masa de la nave espacial, el IPS del motor, etc. Si bien no soy un experto en sistemas EP, requieren una gran cantidad de sistemas de apoyo. en comparación con un sistema de propulsión química o solar.

• Grandes requisitos de potencia: en promedio (según el sistema EP seleccionado) 150 W - 2 kW de potencia: catálogo de propulsión eléctrica de Aerojet . Hay dos opciones principales de suministro de energía. La primera opción es usar paneles solares, sin embargo, la generación de energía cae en$r^2$. Como ejemplo, generas 1/27 de la potencia en Júpiter que generas en la Tierra. La segunda opción es usar un generador térmico de radioisótopos (RTG) que es pesado, extremadamente costoso y solo produce alrededor de 80-120 W y con el RTG de próxima generación de la NASA ( MMRTG ) solo capaz de producir alrededor de 110 W, es poco probable que un ION RTG alimentado se producirá una nave espacial.
• Requiere la adición de tanques de propulsor y sistemas de gestión de propulsor (esto incluye calentadores porque el combustible debe permanecer a temperaturas operativas).
• Hardware y electrónica adicionales para gestionar el complejo sistema de propulsión eléctrica.

Conclusión

Esto me lleva a mi último punto, la combinación de estos dos sistemas plantea nuevos problemas sobre cómo gestionarlos independientemente uno del otro. Cuando combina una vela solar y una nave espacial de propulsión eléctrica, juntos necesitan una forma de soportar los sistemas de velas solares, así como los sistemas de propulsión eléctrica (estructuralmente, en términos de hardware, eléctricamente) y hacer esto aumenta en gran medida la masa total de la nave espacial y la complejidad involucrada. En última instancia, todo se reduce a la complejidad del diseño y la masa adicional de cada sistema aumenta o reduce las capacidades de detla V totales de las naves espaciales.

Código Python para relaciones ISP :

Puede jugar con una vista de las relaciones entre los dos sistemas.

'''
Requirements: 
- Python: 2.7 or 3.6
- Python Numpy
'''


def solarSailISP(characteristic_acceleration, mission_duration_days, mass_ratio):
    import numpy as np
    gravity = -9.80665
    delta_v = characteristic_acceleration*mission_duration_days*86400.0
    isp = (delta_v/gravity)/(np.log(mass_ratio))
    return isp

def engineISP(delta_V, mass_ratio):
    import numpy as np
    gravity = -9.80665
    isp = (delta_V/gravity)/(np.log(mass_ratio))
    return isp


solarsail_isp = solarSailISP(0.001, 500, 0.1)
electric_isp = engineISP(3200, 0.3)

print("Solar Sail Propulsion System ISP: {} sec").format(solarsail_isp)
print("Electric Propulsion System ISP: {} sec").format(electric_isp)

Ikaros tenía paneles solares incrustados en la vela solar.

La vela, que tiene la forma de una cometa, también tiene células solares integradas para generar electricidad. No se esperaba que generara mucha energía durante este vuelo, sino más bien que sirviera como banco de pruebas para futuros motores de propulsión iónica que no solo usan celdas solares para generar electricidad, sino que también se mueven mediante velas.

Se está haciendo un esfuerzo para hacer fotovoltaicos de película delgada que disfruten de mucha área de superficie para poca masa, mejorando así el alfa . Y para las velas solares, también desea maximizar el área de superficie y minimizar la masa.

Entonces, las dos tecnologías tienen objetivos en común. El Ikaros japonés fue una misión apasionante.

No tengo conocimiento de ningún diseño que combine los dos conceptos. Como se señaló en los diversos comentarios, existe cierta superposición en el sentido de que ambos son diseños de operación continua/bajo empuje, pero tienen diferentes trayectorias óptimas, por lo que una nave determinada generalmente sería mejor si fuera más liviana y capaz de optimizarse para un solo tipo de empuje.

Los sistemas de control de impulsión de iones en una vela solar masiva podrían tener sentido, o si hay algún tejido mágico que pueda ser tanto una vela solar como un panel solar. Ambos dependerían de la extracción de recursos a gran escala en el espacio y están fuera de la planificación actual.

Con la segunda mitad de su pregunta, la mayoría de los diseños de velas solares obtienen la mayor parte del empuje de la luz, aunque el viento solar puede desempeñar un papel, en cualquier caso, el empuje solo se reduciría en una fracción medible de la velocidad de la luz y la función misma de una vela solar significa que no puede superar mucho la velocidad de escape del sistema solar (0,001% c) porque deja que la estrella proporcione el empuje.

Una embarcación de empuje mixto con un diseño muy pobre podría colapsar la estructura de soporte de la vela con fuerzas excesivas, pero la vela seguiría produciendo empuje durante este proceso.

OKEANOS fue un proyecto de JAXA de alrededor de 2010, que combinaba una vela solar y un motor de iones. Los autores iban a enviarlo a los asteroides troyanos de Júpiter con un posible viaje de regreso de muestra a la Tierra.

La vela estaría hecha de una película de poliimida de 10 μm de espesor y 40 × 40 metros (1.600$m^2$) recubierta de 30.000 paneles solares de 25 μm de espesor, capaces de generar hasta 5 kW a la distancia de Júpiter...

Ahí está el artículo , se divulga el diseño y la trayectoria de la nave espacial.

La nave espacial es acelerada por los motores de iones alrededor del afelio...

Se planificaron 3 pares de impulsores de xenón con un impulso específico de 7000 segundos, cada impulsor proporciona un empuje de 26,1 milinewton con un consumo de energía de 1600 W. Se planeó el RCS químico de dos componentes, excepto los motores iónicos y la vela solar.

Desafortunadamente, el proyecto OKEANOS no fue seleccionado por JAXA para su lanzamiento, aunque fue segundo finalista para la misión de Japón que se lanzará en 2026. Por lo tanto, debemos esperar.